El músculo artificial se flexiona en múltiples direcciones, ofreciendo un camino hacia robots suaves y ondulados
Los ingenieros del MIT desarrollaron una forma de cultivar tejidos artificiales que se ven y actúan como sus contrapartes naturales. Nos movemos gracias a la coordinación entre muchas fibras del músculo esquelético, todas contraídas y sincronizadas. Mientras que algunos músculos se alinean en una dirección, otros forman patrones intrincados, ayudando a que partes del cuerpo se muevan de múltiples maneras. En los últimos años, los científicos e ingenieros han considerado a los músculos como actuadores potenciales para “robots biohybrid” — máquinas alimentadas por fibras musculares suaves y cultivadas artificialmente. Tales bio-bots podrían retorcerse y moverse a través de espacios donde las máquinas tradicionales no pueden. Sin embargo, en su mayor parte, los investigadores solo han podido fabricar músculo artificial que tira en una dirección, limitando cualquier rango de movimiento de las robots. Ahora los ingenieros del MIT han desarrollado un método para cultivar tejido muscular artificial eso se contrae y flexiona en múltiples direcciones coordinadas. Como demostración, desarrollaron una estructura artificial impulsada por músculos que tira de forma concéntrica y radial, al igual que la forma en que el iris en el ojo humano actúa para dilatar y constreñir la pupila. Los investigadores fabricaron el iris artificial utilizando un nuevo enfoque “stamping” que desarrollaron. Primero, imprimieron en 3D un pequeño sello de mano estampado con ranuras microscópicas, cada una tan pequeña como una sola celda. Luego presionaron el sello en un hidrogel blando y sembraron los surcos resultantes con células musculares reales. Las células crecieron a lo largo de estos surcos dentro del hidrogel, formando fibras. Cuando los investigadores estimularon las fibras, el músculo se contrajo en múltiples direcciones, siguiendo la orientación fibers’. “Con el diseño del iris, creemos que hemos demostrado el primer robot impulsado por músculo esquelético que genera fuerza en más de una dirección. Eso fue habilitado de manera única por este enfoque de sello,” dice Ritu Raman, el Profesor de Desarrollo de Carrera Eugene Bell de Ingeniería de Tejidos en el Departamento de Ingeniería Mecánica de MIT. El equipo dice que el sello se puede imprimir con impresoras 3D de mesa y equipado con diferentes patrones de ranuras microscópicas. El sello se puede usar para desarrollar patrones complejos de músculo — y potencialmente otros tipos de tejidos biológicos, como neuronas y células cardíacas — que se ven y actúan como sus contrapartes naturales. “Queremos hacer tejidos que repliquen la complejidad arquitectónica de los tejidos reales,” Raman dice. “Para hacer eso, realmente necesitas este tipo de precisión en tu fabricación.” Ella y sus colegas publicó sus resultados de acceso abierto el viernes en la revista Biomateriales Ciencia. Sus coautores del MIT incluyen a la primera autora Tamara Rossy, Laura Schwendeman, Sonika Kohli, Maheera Bawa y Pavankumar Umashankar, junto con Roi Habba, Oren Tchaicheeyan y Ayelet Lesman de la Universidad de Tel Aviv en Israel. Espacio de entrenamiento El laboratorio Ramanans en el MIT tiene como objetivo diseñar materiales biológicos que imiten la detección, la actividad y la capacidad de respuesta de los tejidos reales en el cuerpo. En términos generales, su grupo busca aplicar estos materiales de bioingeniería en áreas desde la medicina hasta las máquinas. Por ejemplo, ella está buscando fabricar tejido artificial que pueda restaurar la función a las personas con lesión neuromuscular. También está explorando músculos artificiales para su uso en robótica suave, como nadadores impulsados por músculos que se mueven a través del agua con flexibilidad similar a la de los peces. Raman ha desarrollado previamente lo que podría verse como plataformas de gimnasio y rutinas de entrenamiento para células musculares cultivadas en laboratorio. Ella y sus colegas diseñaron un hidrogel “mat” eso alienta a las células musculares a crecer y fusionarse en fibras sin pelarse. También derivó una forma de “ejercitar” las células al diseñarlas genéticamente para que se contraigan en respuesta a pulsos de luz. Y, su grupo ha ideado formas de dirigir las células musculares para que crezcan en líneas largas y paralelas, similares a los músculos estriados naturales. Sin embargo, ha sido un desafío, para su grupo y otros, diseñar tejido muscular artificial que se mueva en direcciones múltiples y predecibles. “Una de las cosas geniales de los tejidos musculares naturales es que no solo apuntan en una dirección. Tomemos, por ejemplo, la musculatura circular en nuestro iris y alrededor de nuestra tráquea. E incluso dentro de nuestros brazos y piernas, las células musculares no apuntan directamente, sino en ángulo, señala Raman. “El músculo natural tiene múltiples orientaciones en el tejido, pero no hemos podido replicarlo en nuestros músculos diseñados.” Plano muscular Al pensar en formas de cultivar tejido muscular multidireccional, el equipo tuvo una idea sorprendentemente simple: sellos. Inspirado en parte por el clásico molde Jell-O, el equipo buscó diseñar un sello, con patrones microscópicos que podrían imprimirse en un hidrogel, similar a las esteras de entrenamiento muscular que el grupo ha desarrollado previamente. Los patrones de la estera impresa podrían servir como una hoja de ruta a lo largo de la cual las células musculares podrían seguir y crecer. “La idea es simple. Pero, ¿cómo se hace un sello con características tan pequeñas como una sola celda? ¿Y cómo sellas algo que es súper suave? Este gel es mucho más suave que Jell-O, y es algo que es realmente difícil de lanzar, porque podría romperse muy fácilmente, dice Raman. El equipo probó variaciones en el diseño del sello y finalmente aterrizó en un enfoque que funcionó sorprendentemente bien. Los investigadores fabricaron un pequeño sello de mano utilizando instalaciones de impresión de alta precisión en MIT.nano, lo que les permitió imprimir intrincados patrones de ranuras, cada una de ellas tan ancha como una sola célula muscular, en la parte inferior del sello. Antes de presionar el sello en una estera de hidrogel, recubrieron el fondo con una proteína que ayudó a que el sello se imprimiera uniformemente en el gel y se desprendiera sin pegarse ni rasgarse. Como demostración, los investigadores imprimieron un sello con un patrón similar a la musculatura microscópica en el iris humano. El
